Como a temperatura ambiente influencia a capacidade dos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) comerciais: Guia

Um sistema comercial de armazenamento de energia em baterias pode apresentar uma capacidade nominal de 100 kWh, 500 kWh ou 2 MWh, mas a energia fornecida no contador depende da temperatura das células, da taxa de descarga, dos limites do estado de carga, da eficiência do inversor, do consumo complementar, da composição química da bateria e da lógica de controlo do fabricante.

Então, o que é que compraste afinal: energia armazenada, energia funcional ou simplesmente uma classificação de laboratório?

Essa preocupação não é meramente teórica. Em 2023, a capacidade instalada de baterias no mercado mundial de energia aumentou mais de 130% em relação ao ano anterior, adicionando 42 GW, enquanto os custos das baterias de iões de lítio tinham, na verdade, descido mais de 90% em menos de 15 anos. O mercado expandiu-se mais rapidamente do que a capacidade de muitos compradores para compreender o que os valores de capacidade realmente significavam. Por isso: uma proposta comercial de BESS que apresente a capacidade sem uma base de temperatura é incompleta. Pode não ser desonesta. No entanto, também não é engenharia adequada para a tomada de decisões.

A capacidade indicada na placa de identificação do BESS não corresponde à potência fornecida

Capacidade do BESS refere-se normalmente à energia elétrica total que uma bateria pode armazenar, expressa em quilowatts-hora ou megawatts-hora. Esse valor resulta geralmente de ensaios controlados realizados a uma temperatura definida da célula, num intervalo específico de estado de carga, numa gama de tensões e a uma taxa de descarga.

O cálculo básico parece correto:

Energia nominal em kWh = Tensão nominal × Capacidade em ampères-hora ÷ 1 000

Para uma bateria de 51,2 V e 200 Ah:

51,2 × 200 ÷ 1 000 = 10,24 kWh

Correto. Mas incompleto.

Um operador industrial não recebe a totalidade dos 10,24 kWh sob a forma de energia de corrente alternada útil. Uma estimativa ainda mais simples é a seguinte:

Energia fornecida pela rede = Capacidade nominal × intervalo útil do SOC × variável de temperatura × eficiência de conversão − consumo com a gestão térmica

Consideremos um pequeno sistema de 100 kWh que utiliza:

• Uma janela de estado de carga permitida para o 90%
• Um inversor 95% e a eficiência dos circuitos
• Uma variável de desempenho em função da temperatura de 95%
• 2 quilowatts-hora de aquecimento doméstico, ar condicionado, bombas, sistemas de controlo e consumo em modo de espera

A estimativa acaba por ser:

100 × 0,90 × 0,95 × 0,95 − 2 = 79,23 kWh

A brochura indica 100 kWh. O contador regista cerca de 79 kWh nessas condições teóricas.

É nesse vazio que se esconde a fragilidade da economia empresarial das tarefas.

Como a temperatura ambiente influencia a capacidade de armazenamento das baterias industriais

A temperatura ambiente influencia a capacidade de armazenamento das baterias comerciais através de quatro mecanismos interligados: a taxa de resposta eletroquímica, a resistência interna, as restrições operacionais do BMS e a potência necessária para manter as células dentro de um intervalo de temperatura adequado.

O frio reduz o transporte de iões de lítio através do eletrólito e dos elétrodos. A resistência interna aumenta. A queda de tensão ocorre mais rapidamente sob cargas elevadas. Um sistema de gestão da bateria poderá, em seguida, reduzir a potência de carregamento, a potência de descarga, a profundidade de descarga ou os três parâmetros.

O calor suscita um problema diferente. Um aquecimento moderado pode, momentaneamente, melhorar a cinética de resposta e reduzir a resistência, fazendo com que a bateria pareça ter mais energia durante um teste breve. No entanto, a exposição a longo prazo aumenta as reações secundárias, o crescimento da interface do eletrólito sólido, a falha do eletrólito, a geração de gás e o envelhecimento cronológico.

Hoje é rápido. Amanhã já é passado.

E é aqui que as afirmações generalizadas se tornam prejudiciais. Um estudo realizado em 2023 pela Sandia e Los Alamos avaliou células industriais NMC e NCA 18650 submetidas a ciclos a 15 °C, 25 °C e 35 °C até que a capacidade de aproximadamente 80% se mantivesse. As células NCA revelaram uma dependência da temperatura relativamente fraca, enquanto as células NMC apresentaram uma maior perda de capacidade e deterioração do material a temperaturas mais baixas. Os investigadores alertaram explicitamente contra a formulação de afirmações generalizadas relativamente a todas as composições químicas de iões de lítio em todos os concursos públicos para sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS).

Redução da capacidade nominal do BESS em condições de clima frio

Redução da potência em função da temperatura do BESS é a redução deliberada da potência de carga, da potência de descarga, da capacidade útil ou da autonomia quando a temperatura das células sai dos limites recomendados pelo fabricante.

A eficiência em climas frios é frequentemente considerada um problema de desempenho. Na prática, manifesta-se frequentemente, numa primeira fase, como um problema de potência.

Uma bateria fria pode ainda conter uma quantidade considerável de energia química, mas o aumento da resistência faz com que a tensão nos terminais diminua mais acentuadamente quando o sistema tenta uma descarga de alta corrente. O BMS atinge o seu limite de baixa tensão mais cedo, pelo que a energia permanece quimicamente presente, mas operacionalmente inacessível.

Essa distinção é importante para:

• Redução de picos de consumo
• Redução da taxa de consumo
• Substituto do gerador
• Autoconsumo de energia solar
• Obrigações relativas aos sistemas de alimentação ininterrupta
• Serviços de rede de alta potência

Uma bateria com carga reduzida pode suportar uma descarga prolongada a baixa temperatura. A mesma bateria pode, no entanto, não conseguir suportar uma utilização curta, mas de alta potência.

Um facto difícil de aceitar: o kWh, por si só, não é suficiente para descrever a capacidade em climas frios. Os compradores exigem, além disso, curvas de potência em kW em função da temperatura.

O carregamento também é muito menos tolerante. Carregar uma célula de iões de lítio com ânodo de grafite a uma temperatura reduzida pode aumentar o risco de deposição de lítio metálico, em vez da intercalação normal de lítio. Um BMS adequado reduz, consequentemente, a corrente de carregamento ou bloqueia o carregamento até que os aquecedores aumentem a temperatura da célula.

A bateria não está necessariamente com avaria. Está a proteger-se.

O calor pode preservar o resultado, mas comprometer a capacidade a longo prazo

O calor engana.

A temperaturas elevadas, uma bateria de iões de lítio pode, inicialmente, apresentar uma resistência mais baixa e uma potência instantânea aceitável. Isso não significa, contudo, que as condições de funcionamento sejam inofensivas. A velocidade das reações em cadeia aumenta e as reações indesejáveis aceleram-se, a par das reações úteis.

Os operadores comerciais têm de distinguir três medidas:

1. Capacidade disponível de imediato
2. Desempenho de ida e volta
3. Retenção duradoura das competências

Uma bateria quente pode apresentar um resultado razoável na primeira medição, mas perder desempenho na terceira.

A estrutura de modelação da duração da bateria BLAST do Laboratório Nacional das Cordilheiras considera a temperatura ambiente, o autoaquecimento das células, a gestão térmica, o estado de carga inicial, a corrente, a profundidade de ciclo, a frequência de ciclos e a heterogeneidade das células como variáveis interligadas que contribuem para a degradação. Por outras palavras, o nível de temperatura não pode ser avaliado isoladamente da forma como o BESS é utilizado. Um estado de carga elevado numa unidade quente pode evoluir de forma diferente do que a mesma composição química em ciclos com um estado de carga moderado. Um sistema de redução de picos com duração de duas horas desenvolverá um perfil térmico diferente do de uma bateria de reserva pouco utilizada. E um armário exposto ao sol do meio-dia não funciona nas mesmas condições ambientais que a estação meteorológica do outro lado da cidade.

Considero que a “temperatura de funcionamento ideal” é um dos valores mais mal interpretados nas vendas de baterias. O valor máximo não significa que seja o ideal. Não implica potência total. E, certamente, não implica um envelhecimento mínimo.

O que indicam os dados atuais sobre a monitorização térmica do BESS

Um estudo de 2023, apoiado pela Sandia, analisou as cargas de aquecimento e arrefecimento domésticos ao dimensionar o espaço de armazenamento de energia em baterias em climas frios extremos. A sua conclusão foi desagradável, mas previsível: a utilização de sistemas de climatização (HVAC) pode alterar significativamente o tamanho ideal do sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS) e o custo do projeto, mas muitos modelos técnico-económicos assumem uma temperatura constante da bateria e ignoram essas cargas parasíticas. O modelo pode calcular a produção de energia da bateria, partindo do princípio de que a sala das baterias se aquece por si própria, sem qualquer custo.

Não é verdade.

O mesmo erro repete-se em climas quentes. Os refrigeradores, as ventoinhas, as bombas de líquido de arrefecimento, os sistemas eletrónicos de controlo, os dispositivos de deteção de incêndios, o hardware de interação, os sistemas de aquecimento de reserva e a ventilação das unidades consomem todos energia. Algumas cargas são periódicas. Outras funcionam constantemente.

Essa energia tem de vir de algum lado. Dependendo da arquitetura do sistema e do limite de medição, pode vir diretamente da bateria.

Entretanto, a International Power Company informou, em abril de 2024, que o cumprimento dos objetivos globais em matéria de energias renováveis exigiria 1 500 GW de armazenamento de energia até 2030, incluindo cerca de 1 200 GW de baterias. A propagação de erros de gestão térmica por todo esse conjunto de equipamentos transformaria pequenas falhas de conformidade em perdas funcionais e económicas significativas. Cálculo da Capacidade SS que Consiste na Temperatura

A cópia é uma versão de verificação do desenho, não substituindo os contornos de análise do fabricante.

Suponha-se um sistema industrial de armazenamento de energia por bateria (BESS) de LiFePO₄ com 100 kWh, com:

• Janela SOC útil do 90%
• Desempenho da conversão de energia do 95%
• Várias variáveis relacionadas com o nível de temperatura do pensamento
• Entrada de aquecimento e arrefecimento diferente por ciclo de descarga

Condições ambientais	Elemento de medição da temperatura de pensamento	Energia dos sistemas de climatização	Energia fornecida pela Internet (estimativa)	Questão fundamental
Sala com temperatura controlada a 25 °C	100%	1 kWh	84,50 kWh	Conversão da linha de base e perdas de SOC
Unidade de 10 °C em voga	95%	2 kWh	79,23 kWh	Maior resistência e aquecimento doméstico moderado
Câmara fria a 0 °C	85%	4 kWh	68,68 kWh	Redução da potência e carregamento limitado
-10 °C, site não climatizado	70%	7 kWh	52,85 kWh	Limites de carga rigorosos e necessidade de um sistema de aquecimento
Câmara aquecida a 40 °C	97%	5 kWh	77,94 kWh	Arrefecimento intenso e envelhecimento acelerado

Estes aspetos relativos aos níveis de temperatura são apresentados a título meramente ilustrativo. Os valores corretos devem ser obtidos a partir das curvas do fabricante (OEM) ao nível da célula ou do sistema, tendo em conta a taxa de carga (C-rate) prevista para o projeto, o intervalo de SOC, a idade, a circulação de ar, os problemas relacionados com o líquido de arrefecimento e a configuração do invólucro.

No entanto, a lição mantém-se: a temperatura altera a capacidade duas vezes.

Em primeiro lugar, altera o que as células podem fornecer. Em seguida, altera a quantidade dessa distribuição que é absorvida pelos mecanismos que mantêm as células vivas.

As especificações do produto indicam o valor de referência à temperatura de 25 °C

Os elementos relacionados tornam o problema dos requisitos evidente.

O 5,12 kWh, 51,2 V, 100 Ah, quatro baterias LiFePO montadas na parede Indica uma capacidade de 100 Ah a 25 °C e 0,2 C. O intervalo de temperatura de carga e descarga vai de -10 °C a 55 °C; no entanto, a página não especifica se os 100 Ah permanecem totalmente disponíveis em todas as temperaturas dentro desse intervalo.

Além disso, o Bateria LiFePO₄ de 10,24 kWh, 51,2 V e 200 Ah, para montagem na parede apresenta os valores relativos à capacidade e ao número de ciclos a 25 °C e 0,2 C, ao mesmo tempo que indica uma faixa de temperatura de funcionamento mais ampla, de -10 °C a 55 °C

matriz. O mesmo padrão surge na bateria ESS com cerca de 16,1 kWh, 51,2 V e 314 Ah, o Bateria de chão de 20,48 kWh, 51,2 V e 400 Ah, e o bateria LiFePO₄ de chão com aproximadamente 32,15 kWh, 51,2 V e 628 Ah.

Trata-se de produtos destinados ao mercado residencial, e não de sistemas completos de armazenamento de energia em baterias (BESS) comercializados em contentores, mas revelam a mesma convenção de especificações adotada em todo o setor: a capacidade nominal está ligada a um problema de referência controlado, enquanto a gama de funcionamento divulgada determina apenas onde a utilização é permitida.

O facto de algo ser permitido não significa que esteja garantido.

Exemplo de bateria ligada	Potência nominal	Condição do teste de aptidão	Intervalo de funcionamento publicado	Aula sobre a indústria
51,2 V, 100 Ah	5,12 kWh	25 °C	, 0,2 °C - 10 °C	até 55 °C A potência indicada na placa de identificação é um valor para condições de referência
51,2 V, 200 Ah	10,24 kWh	25 °C	, 0,2 °C - 10 °C	até 55 °C; a gama de funcionamento não garante a capacidade total
51,2 V, 314 Ah	Aprox. 16,1 kWh	25 °C	, de 0,2 °C até -20	°C libertado. A autorização para baixas temperaturas continua a exigir dados de redução da potência nominal
51,2 V, 400 Ah	20,48 kWh	25 °C	, de 0,2 °C até -20 °C — publicado: Pedido de curvas de kW e kWh em função da temperatura
51,2 V, 628 Ah	Aprox. 32,15 kWh	25 °C	, 0,2 °C - 10 °C	até 55 °C Uma capacidade nominal mais elevada não elimina as perdas térmicas

As páginas web dos produtos especificam igualmente ensaios de vida útil a 25 °C, 0,2 C e profundidade de descarga de 80%. Essa base de ensaio é importante, uma vez que uma declaração de “mais de 6 000 ciclos” não pode ser automaticamente extrapolada para armários mais quentes, carregamentos a temperaturas mais baixas, ciclos de descarga mais profundos ou correntes mais elevadas. Temperatura para sistemas de armazenamento de energia em baterias industriais (BESS)

Em vários projetos comerciais de sistemas de armazenamento de energia por baterias de iões de lítio (BESS), o objetivo prático não é a amplitude de temperatura máxima permitida. Trata-se, sim, de uma faixa de temperatura das células mais restrita e regulada de forma proativa, escolhida para estabilizar a potência disponível, a aceitação de carga, a eficiência, o desgaste do equipamento e a deterioração.

Um erro comum nos projetos consiste em controlar a temperatura ambiente, sem regular a variação de temperatura entre as células.

O aparelho pode indicar 25 °C. As células próximas de uma saída de ar condicionado podem ficar a 21 °C. As células numa prateleira mal ventilada podem atingir os 33 °C. À primeira vista, isto pode parecer uma desvantagem, mas as células de melhor qualidade envelhecem mais rapidamente, a resistência varia, o equilíbrio torna-se mais difícil de manter e, por fim, o BMS limita toda a cadeia de acordo com a sua secção mais fraca.

Peça ao distribuidor:

• Circulação da temperatura celular em potência classificada
• Diferença máxima de temperatura entre racks
• Entrada de ar para aquecimento e refrigeração em condições climáticas extremas
• Contornos de potência de carga e descarga por nível de temperatura da célula
• Contornos de energia utilizável em função da temperatura e da taxa de carga (C-rate)
• Limites de redução da potência nominal e de encerramento
• Lógica de arranque do aquecedor e do refrigerador
• Redundância na gestão térmica
• Presunções relativas à retenção de capacidade no ambiente do local
• Exclusões da garantia de assistência relacionadas com disparos por temperatura

Sem contorno, sem confiança.

Gostaria ainda de solicitar dados brutos de análise, em vez de um gráfico publicitário simplificado, sempre que o BESS apoiar a capacidade adquirida, poupanças relacionadas com a tarifa de consumo, cargas em situações de emergência ou taxas de serviço à rede. O risco empresarial é também demasiado elevado para aprovar uma única linha relativa ao “nível de temperatura de funcionamento” numa ficha informativa.

Como reduzir, exatamente, os efeitos da temperatura ambiente na capacidade da bateria

Comece por considerar as características do local, e não o sobredimensionamento da bateria.

O sobredimensionamento pode compensar a perda de potência funcional; no entanto, não resolve o risco de deposição de lítio, as inclinações térmicas, as falhas no sistema de arrefecimento, o aumento do envelhecimento cronológico nem a redução da potência nominal. Em muitos casos, a inclusão de mais armários de baterias implica um aumento do calor e das cargas auxiliares.

Entre as medidas de controlo mais eficazes contam-se:

• Unidades blindadas e à prova de intempéries
• Sistemas de cobertura refletores de radiação solar ou proteção exterior
• Arrefecimento regulado por ar ou fluido
• Pré-aquecimento da célula a baixa temperatura
• Programação de envio com consideração da temperatura
• Taxas de custo reduzidas no início do tempo frio
• SOC máximo reduzido durante períodos prolongados de temperatura elevada
• Monitorização da temperatura ao nível do rack
• Prever a manutenção dos sistemas de refrigeração e aquecimento
• Limites de alarme indicados abaixo dos níveis que implicam o encerramento obrigatório do BMS

E coloque as unidades de deteção nos locais onde o calor se acumula realmente.

Um sensor instalado perto de uma entrada de ar numa divisão pode indicar condições confortáveis, enquanto as células de um componente densamente empilhado estão significativamente mais quentes. Os dados relativos à média do conjunto podem ocultar valores extremos locais.

As configurações operacionais mais eficazes incluem o BMS (Sistema de Gestão da Bateria), o sistema de gestão de energia, o sistema de conversão de energia, o controlador de refrigeração e aquecimento e a previsão meteorológica disponível no site. Uma expedição ao início da manhã, quando a temperatura está baixa, não deve ser tratada da mesma forma que uma expedição ao meio-dia, quando a temperatura é moderada. O mesmo se aplica a um contentor que tenha estado exposto a seis horas consecutivas de radiação solar.

Questões Frequentes

De que forma é que a temperatura ambiente afeta o desempenho do BESS?

Os ajustes em função da temperatura ambiente afetam o desempenho do BESS, alterando a velocidade da resposta eletroquímica, a resistência interna, os limites de segurança do BMS e a energia consumida pelo aquecimento ou ar condicionado do recinto, o que sugere que os quilowatts-hora fornecidos no contador podem diferir significativamente da capacidade nominal da bateria, mesmo quando as células se mantêm em bom estado.

Os problemas relacionados com o frio limitam, geralmente, a potência e a aprovação da faturação, enquanto o calor prolongado acelera o envelhecimento. O resultado exato depende da composição química, da taxa de descarga, do estado de carga, da idade da célula, do design térmico e do software de controlo.

O que é a redução da capacidade em função da temperatura do BESS?

A redução de potência em função da temperatura (BESS) consiste na redução automática ou planeada da potência de carga, da potência de descarga, do intervalo de estado de carga utilizável ou da energia disponível quando a temperatura das células da bateria ultrapassa os limites recomendados, protegendo assim as células contra quedas excessivas de tensão, deposição de lítio, degradação rápida, sobreaquecimento ou funcionamento perigoso.

A redução da potência nominal pode começar antes de o sistema atingir a temperatura mínima ou a temperatura de funcionamento ideal indicadas nas especificações. Os compradores devem solicitar a curva completa de redução da potência nominal, em vez de se basearem apenas nos dois níveis de temperatura extremos.

Qual é o nível de temperatura de funcionamento mais eficaz para os sistemas BESS empresariais?

A temperatura de funcionamento mais eficaz para um sistema comercial de armazenamento de energia por bateria (BESS) é um intervalo controlado de temperatura das células que garanta um fornecimento de energia seguro, um carregamento eficaz, uma redução do consumo de energia de suporte, uma variação limitada entre células e uma degradação a longo prazo aceitável, em vez de se limitar a permanecer dentro do amplo intervalo de funcionamento permitido pelo fabricante.

A meta exata deve ser indicada pelo fornecedor da bateria. No que diz respeito à aquisição, daria prioridade ao intervalo constante recomendado, à variação de temperatura de armazenamento e aos pressupostos relativos à vida útil, em detrimento dos valores mínimos e máximos apresentados.

O calor aumenta a capacidade das baterias de iões de lítio?

O calor pode aumentar temporariamente a cinética de reação das baterias de iões de lítio e reduzir a resistência interna; no entanto, não produz energia nominal adicional e pode aumentar o consumo de energia para arrefecimento, a autodescarga, as reações colaterais, o envelhecimento prematuro e a perda permanente de capacidade quando as células permanecem quentes durante longos períodos.

Consequentemente, uma avaliação de descarte a curto prazo pode parecer aceitável, enquanto a rentabilidade ao longo do ciclo de vida se deteriora. A produção imediata e a retenção da capacidade a longo prazo devem ser analisadas de forma independente.

Como é que se deve dimensionar, exatamente, um sistema BESS empresarial para ambientes frios?

Um sistema comercial de armazenamento de energia por bateria (BESS) destinado a climas frios deve ser dimensionado com base em curvas de energia e potência dependentes da temperatura, limites de faturação, perdas de calor do invólucro, utilização da unidade de aquecimento, desempenho do inversor, taxa C prevista, margem de carga exigida, alocação para envelhecimento e o período de condições de exposição ao frio previstas, em vez de se basear apenas na capacidade nominal.

Simule, no mínimo, um cenário típico dos meses de inverno, incluindo a temperatura mínima prevista, uma avaria no sistema de aquecimento e uma falha de energia prolongada. Caso contrário, o sistema poderá cumprir as estimativas energéticas anuais, mas ficar aquém das expectativas durante o episódio específico de frio para o qual foi adquirido.

Avalie o sistema de controlo da temperatura antes de adquirir mais baterias

Não pergunte apenas: “Qual é a capacidade da bateria em quilowatts-hora?”

Pergunte qual é a quantidade de quilowatts-hora que permanece após a redução de potência devido à temperatura, as restrições de SOC, as perdas de conversão, o consumo de energia para arrefecimento e aquecimento, as toneladas em modo de espera, o envelhecimento e as restrições de segurança do BMS. Em seguida, pergunte qual é a potência restante nas temperaturas mais baixas e mais elevadas das células previstas no local.

Essa é a funcionalidade útil do BESS.

Tudo o resto não passa de um rótulo.

Analise as especificações das quatro baterias LiFePO4 indicadas no link, compare os seus valores de referência a 25 °C com as necessidades específicas da sua aplicação e solicite um cálculo da capacidade e da gestão térmica específico para o local antes de escolher a configuração final do sistema.